Курс лекций по почвоведению

УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ

ГОМЕЛЬСКИЙ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ Ф. СКОРИНЫ

БИОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

Кафедра ботаники и физиологии растений

КУРС ЛЕКЦИЙ ПО ПОЧВОДЕНИЮ

Для студентов 2 курса биологического факультета

Материал подготовил доцент кафедры ботаники и физиологии растений,

кандидат сельскохозяйственных наук

С.Ф. Тимофеев

ГОМЕЛЬ 2012 ГОД

Вступление

Основные термины и понятия

Абиотическая - неживая

Биокосная - сочетание живого с неживым

Бонитировка - оценка качества земли на основе почвенных исследований

Биота - совокупность видов растений, животных объединенных общностью территории

Денудация - совокупность процессов сноса и удаления с возвышенностей продуктов выветривания с последующим накоплением в пониженных элементах рельефа.

Эрозия - процесс смыва и размывания почвы и горных пород текущими водами

Морена - отложения, накопленные ледниками при их движении и выпахивании ложа. Суглинки - валуны.

Мониторинг - наблюдения, оценки и прогноз состояния окружающей среды

Методология - учение о структуре, организации, методах и средствах деятельности

Минерал — это природное химическое соединение элементов, или самородный элемент, образовавшийся в определенных физико-химических условиях среды. Своим внешним видом он отражает ту обстановку, в которой образовался.

Самый распространенный класс минералов — Алюмосиликаты. На его долю приходится 60% от массы литосферы, он включает 700 разных природных минералов.

Сведения о распространении минералов в природе

Класс	От массы литосферы, %	Количество минералов	Происхождение
Всего известно,	100	2800	Разное
в том числе
Алюмосиликаты	60	700	Эндогенные
Оксиды	17	200	Эндогенные и экзоген ные -
Простые силикаты	15	100	Эндогенные
Галоиды	3,5	100	Экзогенные
Карбонаты	1,8	80	Экзогенные
Сульфаты	1	260	Экзогенные
Фосфаты	1	200	Эндогенные и экзоген ные -
Сульфиды	0,25	350	Эндогенные
Самородные элементы	0,1	50	Эндогенные
Нитраты	Очень мало		Экзогенные
Итого	99,65	2040	—
Остальные	0,35	760	—

Минералогия — наука о минералах, т.е. о природных химических соединениях элементов, их образовании, свойствах и процессах разрушения (выветривания). Поскольку минералы являются источниками минеральных элементов питания для растений, очень важно знать, с какой скоростью идет процесс высвобождения элементов из сложных природных соединений и переход их в доступную для растений форму. Процессы превращения минералов происходят и в почве. Поэтому минералогия — очень важная дисциплина среди геологических наук для почвоведения.

Петрография (от греч. petros — камень, grdpho — пишу; букв.: описание камней) — наука о горных породах: как и где образуются горные породы, какие формы залегания им присущи, каким процессам превращения они подвергаются, как скоро разрушаются и какие при этом новые породы образуются. Все это имеет непосредственное значение для подготовки почвообразовательного процесса, а также определяет свойства почв, на них образующихся.

Горные породы состоят из минералов (одного или нескольких). Поэтому петрография и минералогия — очень тесно связанные между собой дисциплины геологии.

Геохимия — наука о закономерностях распространения различных элементов в разных оболочках Земли (литосфере, гидросфере, атмосфере, мантии и ядре).

Cтроение и происхождение Земли

Первое научное представление о Земле — это то, что она имеет форму шара, однако измерение полярного и экваториального радиусов Земли показало, что они неодинаковы. Пришлось изменить название формы Земли на сфероид, близкий к эллипсоиду вращения. Дальнейшее изучение нашей планеты показало, что если мысленно опустить все горные территории в морские впадины, то «не хватит» материала, чтобы получился эллипсоид вращения. Форму Земли поэтому назвали геоидом. И наконец, вследствие работ полярных экспедиций установлено, что Северный полюс Земли находится как бы в небольшой глубине, а Южный — на немного вытянутой вершине, в результате получилось как бы сердечко. Эту последнюю форму Земли назвали кардиоидом.

Таким образом, форма Земли как планеты претерпела такую эволюцию: шар — сфероид — эллипсоид вращения — геоид — кардиоид.

Но по-прежнему, говоря о форме Земли, надо помнить, что она круглая, как шар, и характеризуется следующими физическими параметрами: полярный радиус — 6356, 777 км, экваториальный — 6378,160 км; длина по окружности — 40 000 км.

Площадь поверхности — 510,2 млн км²; площадь суши — 29,2%, а площадь Мирового океана — 70,8% поверхности; средняя плотность — 5518 кг/м³. Наибольшая глубина Мирового океана 11 022 м (Марианский желоб).

Земля имеет концентрическое строение. Различают внутренние и внешние оболочки Земли.

Внутренние: литосфера, мантия (или промежуточная оболочка) и ядро Земли; внешние — гидросфера, атмосфера и биосфера.

Литосфера, или каменная оболочка Земли, имеет мощность 50—20 км на суше и 4—9 км под океаном. Под литосферой находится мантия, простирающаяся до глубины 2900 км, и глубже них находится земное ядро.

В состав литосферы входят почти все элементы, известные в химии. Химический состав литосферы вычислил американский ученый Ф.У. Кларк, поэтому процентное содержание элемента в земной коре получило название кларка-элемента (табл. 1).

Почти половина массы литосферы представлена кислородом, а более чем четверть — кремнеземом. В сумме два этих элемента дают почти 75% массы литосферы;-99,79% от массы литосферы приходится всего на девять элементов таблицы Менделеева, а на долю всех остальных элементов — 0,21% от массы литосферы. В составе литосферы почти нет азота.

Среднее содержание химических элементов в литосфере и почвах, % по массе (А.П. Виноградов)

Элемент	Литосфера	Почва	Элемент	Литосфера	Почва
О	47,20	49,00	С	0,10	2,00
Si	27,60	33,00	S	0,09	0,085
AI	8,80	7,13	Мп	0,09	0,085
Fe	5,10	3,80	Р	0,08	0,08
Са	3,60	1,37	N	0,01	0,10
Na	2,64	0,63	Си	0,01	0,002
К	2,60	1,36	Zn	0,005	0,005
Мд	2,10	0,60	Со	0,003	0,0008
Ti	0,60	0,46	В	0,0003	0,001
Н	0,15	0	Мо	0,0003	0,0003

Гидросфера, или водная оболочка, относится к внешним оболочкам Земли. В ней есть все элементы, которые находятся в литосфере, так как с суши идет постоянный снос веществ водными потоками. Общее количество солей в морской воде — 3,5%, но состав этих солей не отличается разнообразием. Из катионов преобладают натрий, кальций, магний, калий, из анионов — хлор, сульфат-ион, фосфат и бикарбонат.

Строго говоря, гидросферой называется вся вода нашей планеты в жидком, твердом и газообразном состоянии, а не только вода морей, как иногда трактуют. Примерно 94% всей гидросферы составляют соленые воды Мирового океана, 4 — подземные соленые воды, 2 — ледники и снег, 0,4 — пресные поверхностные воды суши (озера, реки, болота, водохранилища, почвенные воды), 0,01% — атмосферные воды.

Мировой океан покрывает 70,8% поверхности нашей планеты и имеет среднюю глубину 3,88 км. В его водах растворено 5 • 10¹⁶ т солей. Больше всего в составе солей — хлоридов (88,64%), затем сульфатов (10,80%) и карбонатов (0,34%). В речных водах, заполняющих океан в течение 44 000 лет, эти соли представлены в обратном порядке: хлориды — 5,2%, сульфаты — 9,9, а карбонаты — 60,1%. Несмотря на огромные размеры, Мировой океан един по своему солевому составу. Морская вода имеет; слабощелочную реакцию (рН 7,5-8,5).

Атмосфера — газовая оболочка Земли, состоит из азота (78% объема), кислорода (20,95%), аргона (0,93%) и углекислого газа (0,03%). На долю остальных газов (гелий, водород и др.) приходится около 0,01% объема. Нижняя граница атмосферы — это поверхность суши и океана; верхней границы не существует. При отдалении от поверхности Земли плотность атмосферы постепенно уменьшается, и на высоте примерно 1000 км она сливается с космическим пространством.

Атмосфера делится на тропосферу (примерно 16 км), стратосферу (30-35 км) и ионосферу (80 км).

Следует обратить внимание, что первоначально, до появления жизни на Земле, весь азот находился в составе атмосферы, и только потом часть его перешла в осадочные породы и почвы под влиянием живых организмов.

Роль живых организмов в жизни Земли огромна, поэтому выделяется специфическая оболочка Земли — биосфера. Толщина ее около 30 км. Биосфера представлена атмосферой, гидросферой, частью литосферы.

ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ИСТОРИЯ ЗЕМЛИ

По подсчетам академика О.Ю. Шмидта, возраст планеты Земля составляет 6—7 млрд лет. Это астрономический возраст планеты.

С момента появления жизни на Земле начинается отсчет ее геологического возраста. По последним данным науки, геологический возраст планеты Земля около 4 млрд лет.

Геологический возраст нашей планеты делится на два крупных отрезка:

докембрий и фанерозой.

Докембрий подразделяется на две эры:

архейскую и протерозойскую. Несмотря на то, что возраст, а стало быть, и продолжительность этих эр очень велики, их объединяет то, что жизнь была представлена только бактериями и водорослями, после отмирания которых не сохранилось ни отпечатков, ни окаменелостей.

Фанерозой делится на три эры:

палеозойскую, мезозойскую и кайнозойскую; каждая эра делится на периоды.

Основанием для выделения эр и периодов являются такие геологические документы, как руководящие окаменелости, т.е. раковины животных, отпечатки в глинах растений и животных, характерные для каждого отрезка времени и согласованные с эволюцией растительного и животного мира.

Естественно, что геологам помогают палеонтологи, изучающие древние формы жизни, причины и время их вымирания. Для каждого периода есть свои руководящие окаменелости.

Например, для кембрия — трилобиты, для силура — морские лилии, для юрского периода — белемниты и т.д.

Образование пластов осадочных пород шло в тот период, когда в морях и океанах жили эти животные; умирая, они откладывались в этих пластах. Напластование пород идет снизу вверх. Чем ниже залегает пласт, тем он древнее.

Завершает геохронологическую таблицу четвертичный период кайнозойской эры, который иначе называется антропогеном (от греч. anthropos — человек и genos — рождение), иначе — период, родивший человека.

Таким образом, человек появился на Земле всего 1,5 млн лет назад. Сейчас идет четвертичный период кайнозойской эры. Отложения четвертичного периода самые молодые, и, главное, они ничем не перекрыты, выходят на земную поверхность и, стало быть, являются почвообразующими породами. Вот почему знание четвертичных отложений так необходимо для познания процессов почвообразования. В пластах пород, находящихся под четвертичными отложениями, человек находит различные полезные ископаемые, в том числе агрономические руды.

СОДЕРЖАНИЕ

Лекция 1. Предмет и задачи почвоведения. История развития учения о почве 6

Лекция 2. Факторы почвообразования 19

Лекция 3. Свойства почв и ее структура 34

Лекция 4. Структура и сложение почв 53

Лекция 5. Коллоиды почвы и поглотительная способность 69

Лекция 6. Общие физические и физико-механические свойства почв 84

Лекция 7. Водно-физические свойства почв и их регулирование. Почвенный раствор и почвенный воздух 99

Лекция 8. Разнообразие почв в природе и их классификация 117

Лекция 9.Почвы пойм и дельт рек 136

Лекция 10.Охрана почв и земель, их рациональное использование 146

Курс лекций «Почвоведение»

Лекция 1. Предмет и задачи почвоведения. История развития учения о почве.

1. История почвоведения как науки 6

2. Почвоведение как отрасль естествознания. Предмет и задачи науки 8

2.1. Глобальные функции почвы 8

2.2. Структура почвоведения 10

3.Методы почвоведения 12

4.Методология почвоведения 14

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 15

Краткий конспект Лекции 1 16

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ПО ДИСЦИПЛИНЕ. ЛИТЕРАТУРА 18

1. История почвоведения как науки.

С появлением земледелия человек ввел в свой обиход представление о почве как об относительно рыхлом землистом слое, в котором укореняются наземные растения и который служит предметом земледельческой обработки; бытовавшее до этого понятие отождествляло почву с землей — участком поверхности, на которой обитает человек.

Накопление научных знаний о почве началось в глубокой древности, и многие тысячелетия практические знания о почве передавались из поколения в поколение. Отрывочные сведения имеются в трудах ученых Древней Греции, Рима, относительно обширными знаниями о них обладали в Древнем Египте, попытки классификации почв были сделаны 4 тыс. лет назад Китае.

Эмпирическая стадия развития почвоведения зародилась более 2—2,5 тыс. лет назад и его историю можно разделить на следующие этапы.

Стадии развития науки о почве

1.Накопление разрозненных фактов о свойствах почв, их плодородии и способах обработки (неолит, бронзовый век).

2. Обособление первичной системы использования почв для орошения, появление способов борьбы с засолением почвы, примитивный кадастр земель (Египет, Месопотамия, Индостан, Мезоамерика).

3. Первичная систематизация сведений о почвах (греко-римская цивилизация IV в. до н.э.—IV в. н.э.), попытка их классификации (12 книг «О сельском хозяйстве» Колумеллы), первые примеры удобрения почв (Варрон), география почв (Геродот, Страбон).

4. Описание почв как земельных угодий для установления феодальных повинностей и привилегий; китайские кадастры,

Геопоника» в Византии, землеоценочные акты в Германии, Англии, Франции, «Писцовые книги» в России, оценка почв в Литве, Беларуси и Украине (IV—XVI вв.).

5. Новые идеи о почвах в трудах Авиценны; о формировании почв под воздействием растений (Леонардо да Винчи); роль самой почвы в питании растений (XV—XVII вв).

6. Зарождение современных воззрений на плодородие почв и их связь с горными породами 1761-1773 гг

7. Расширение и углубление исследований почв и теоретических обобщений (XIX в.) гумусовая теория, начало агрономической химии в трудах Ю. Либиха, Ж.Б. Буссенго.

8. Создание генетического почвоведения, доказательство его важнейших концепций В.В. Докучаевым в его основных трудах.

9. Период развития докучаевского почвоведения между 1914 и 1941 г. характеризуется завоеванием докучаевского учения лидирующего положения в мире.

10. Интенсификация изучения и охраны почвенного покрова мира под эгидой ООН, ЮНЕСКО, ФАО и др. в современный период.

Простое представление о почве вполне удовлетворяло человечество в течение нескольких тысячелетий исторического развития, так как человек еще не сталкивался вплотную с теми проблемами земледелия, перед которыми он был поставлен в последние столетия, — проблемами голода, малоземелья, катастрофической эрозии, опустынивания, падения плодородия, необходимости получения все большей продукции со все меньшей площади.

К середине 19 века в трудах агрономов, агрогеологов, агрохимиков сложилось определение почвы, отождествляющее ее с пахотным слоем, который служит непосредственным предметом обработки и в котором сосредоточена главная масса корней растений, причем основное внимание обращалось на вещественный состав этого верхнего слоя земной коры (смесь минеральных и органических элементов).

Решение этих общих задач привело к зарождению новой науки на рубеже XX в. — почвоведения. Важно, что эта наука развивалась не как чисто описательная и умозрительная дисциплина, а сформировалась в ответ на практические запросы бурно развивающегося земледелия индустриальной эры.

Существовавшие ранее определения стали непригодны, поскольку не характеризовали всю специфику почвы как природного тела и не отражали ее наиболее характерные особенности.

Тройственное отношение человека к почве — как к природному телу, предмету труда и продукту труда — усложнило выбор наиболее точного научного определения почвы.

Современное генетическое почвоведение как самостоятельная естественноисторическая наука о почве отсчитывает свой возраст с 10 декабря 1883 г., со дня защиты В.В. Докучаевым докторской диссертации «Русский чернозем», в которой были сформулированы главные теоретические концепции о почве, получившие дальнейшее развитие в последующих работах.

Он отмечал, что Почва это суть поверхностно лежащие минерально-органические образования, которые всегда более или менее сильно окрашены гумусом и постоянно являются результатом взаимной деятельности следующих агентов: живых и отживающих организмов (как растений, так и животных), материнской горной породы, климата и рельефа местности».

В своей последней крупной работе «Лекции о почвоведении» (1901) В.В.Докучаев написал, что почва «есть функция (результат) от материнской породы (грунта), климата и организмов, помноженная на время».

Самое главное в докучаевском определении почвы, сыгравшем столь выдающуюся роль в развитии новой науки, — это то, что оно,

во-первых, ставит почву в ряд самостоятельных природных тел, качественно отличающихся от всех иных тел природы.

Во-вторых, согласно докучаевскому определению, почва — это явление историческое, имеющее свой возраст и историю образования.

Наконец, третье — это подчеркнутое в самом определении наличие функциональных связей между почвой и всеми другими природными телами и явлениями.

Значительный вклад в развитие науки о почве внесли белорусские почвоведы. Особое место среди них занимает Я.Н. Афанасьев (1877-1938), русский ученый, основоположник белорусской школы научного почвоведения, создатель и первый заведующий кафедрой почвоведения Белорусской сельскохозяйственной академии (1921—1935), директор Института агропочвоведения и удобрений АН БССР с 1931 по 1938 г. Его деятельность как ученого-почвоведа пришлась на первые десятилетия XX в. и трагически оборвалась в 1938 г.

Он был прямым последователем первого поколения почвоведов-докучаевцев и принадлежал к числу тех, кто развивал и доказывал плодотворность генетического почвоведения.

Его идеи и установление закономерностей при изучении почвенных процессов, общих законов генезиса и классификации почв нашли отражение в работах А.Г. Медведева, П.П. Рогового, И.С. Лупиновича, И.Ф. Гаркуши, Н.И. Смеяна, Т.А. Романовой, В.В. Жилко и других.

2. Почвоведение как отрасль естествознания. Предмет и задачи науки.

В современном почвоведении принято такое определение: почва — это обладающая плодородием сложная полифункциональная и поликомпонентная открытая многофазная структурная система в поверхностном слое коры выветривания горных пород, являющаяся комплексной функцией горной породы, организмов, климата, рельефа и времени.

Почвоведение — наука о почве, ее строении, составе, свойствах и географическом распространении, закономерностях ее происхождения, развития, функционирования и роли в природе, путях и методах ее мелиорации, охраны и рационального использования в хозяйственной деятельности человека.

Почвоведение — фундаментальная естественная историческая наука о почвах, их происхождении (генезисе), строении, распространении, роли и функции в биосфере Земли, формировании свойств и режимов, определяющих главное свойство почв — плодородие.

Почва в природе занимает особое место, в ее состав входят как минеральные, так и органические вещества.

По выражению В.И. Вернадского, почва — биокосное тело природы.

Располагаясь на границе соприкосновения литосферы, атмосферы и гидросферы, она формирует особую геосферу — педосферу, или почвенный покров Земли.

Одновременно почва является одним из главных и сложных компонентов биосферы — области распространения жизни на Земле.

Учение о почве В.В. Докучаева обусловило концепцию о биосфере, созданную В.И. Вернадским, так как почва — тот узел, в котором сплелись сложные взаимоотношения человека с природой, и учение о биосфере становится «точкой роста» науки о почве.

В результате длительного почвообразовательного процесса в почве развивается ее основное свойство — плодородие.

Это способность почвы удовлетворять потребность растений в элементах питания, воде, обеспечивать их корневые, системы достаточным количеством воздуха, тепла и благоприятной физико-химической средой для их нормальной жизнедеятельности, т.е. всеми необходимыми им условиями. Этими свойствами горная порода не обладает.

Почвы — основное и незаменимое средство сельскохозяйственного производства, богатство любой страны, они обеспечивают человека продуктами питания, а промышленность — сырьем.

Почвы надо беречь, ибо они не только предмет труда, но и в определенной мере его продукт, поскольку человек может существенно изменить свойства почвы, сознательно направляя процесс ее развития и плодородия в нужном направлении.